Jak dokładnie Mars stracił swoją magnetyczną osłonę? Naukowcy zastanawiają się nad tym od dawna. Nowych odpowiedzi dostarcza praca opublikowana niedawno w czasopiśmie Nature Communications.
Sekret pól magnetycznych
Pole magnetyczne Ziemi jest generowane przez jej jądro, składające się z rdzenia wewnętrznego będącego ciałem stałym oraz płynnego jądra zewnętrznego. Z rdzenia wewnętrznego do zewnętrznego przepływa ciepło, generując w jądrze zewnętrznym prądy konwekcyjne. Prądy konwekcyjne płyną według wzorców, których źródłami są ruch obrotowy planety, jądro wewnętrzne oraz tak zwany efekt Coriolisa. Wówczas tworzą magnetosferę.
Magnetosfera Ziemi – schemat. | Źródło: NASA
Magnetosfera otula Ziemię niczym ochronny koc. Gdy wiatr słoneczny w nią uderza, jest zmuszany do opływania planety, dzięki czemu z reguły nie dociera do atmosfery, a już zwłaszcza powierzchni planety. Gdyby nie ona, Ziemia byłaby pustkowiem, tak jak Mars.
Jądro planety kluczem do rozwiązania zagadki
Utrata przez Marsa magnetosfery mogła mieć związek ze zmianami, jakie dawno temu zaszły w jądrze planety. Jako że naukowcy nie tak dawno uzyskali cenne informacje na temat wewnętrznej struktury Marsa i jego jądra za sprawą lądownika InSight, który osiadł na powierzchni planety w 2018 roku, mogli przeprowadzić eksperymenty, które naprowadziły ich w tym temacie w odpowiednim kierunku.
Dowody pozyskane dzięki marsjańskim meteorytom oraz lądownikowi InSight sugerują, że jądro Marsa składa się ze stopionego żelaza wzbogaconego siarką. Zawiera ono też jednak lżejsze pierwiastki, a w szczególności wodór. Co istotne, podczas dotychczasowych eksperymentów związanych z jądrem Marsa bagatelizowano obecność wodoru. Tego błędu nie popełnili badacze z Japonii i Francji. To ich praca ukazała się na łamach Nature Communications.
Owocny eksperyment
Autorzy pracy z Nature przygotowali próbkę materiału odpowiadającą składowi rdzenia Marsa – zawierającą żelazo, siarkę i wodór. Tę umieszczono następnie w urządzeniu zwanym imadłem diamentowym – urządzeniu pozwalającym uzyskać w niewielkiej objętości ekstremalnie wysokie ciśnienie. Imadło diamentowe składa się z dwóch diamentów o stożkowatym kształcie, skierowanych do siebie wąskimi końcami. Nacisk na szerokie końce diamentów przekłada się na ciśnienie sięgające milionów atmosfer w punkcie styku.
Schemat wyjaśniający działanie i budowę imadła diamentowego. | Źródło: Wikimedia Commons/Tobias1984 [CC BY-SA 3.0]
Aby zasymulować w imadle warunki panujące wewnątrz marsjańskiego jądra, próbkę ogrzano laserem. W trakcie eksperymentu uważnie ją obserwowano – w zakresie promieniowania rentgenowskiego, a nawet śledząc strumienie elektronów, by zarejestrować jakiekolwiek zachodzące zmiany. Co ciekawe, podczas eksperymentu próbka nie tylko się stopiła, ale także poważnie zmieniła swoją strukturę.
Wyniki eksperymentu mają związek z ideą mieszalności. Gdy poszczególne materiały tworzą razem jednorodną mieszankę, są uznawane za mieszalne. Gdy jej nie tworzą, są niemieszalne. Zdaje się, że niemieszalność żelaza, siarki i wodoru w wysokich temperaturach i ciśnieniach odegrała znaczącą rolę w historii Marsa.
„Byliśmy bardzo zaskoczeni, widząc zachowanie, które może wiele wyjaśniać.”, powiedział Kei Hirose, jeden z badaczy. „Początkowo jednorodna mieszanina Fe-S-H rozdzieliła się na dwie odrębne ciecze o stopniu złożoności, który nigdy wcześniej nie był pod takim ciśnieniem obserwowany. Jeden z płynów zawierający żelazo był bogaty w siarkę, a drugi w wodór i to jest kluczem do wyjaśnienia narodzin i ostatecznej śmierci pola magnetycznego Marsa,”
Uczeni podejrzewają, że substancje, które tworzą jądro Marsa, z czasem przestały być jednorodną mieszaniną i oddzieliły się w dwie niemieszające się ze sobą ciecze. Cięższa i gęsta ciecz pozostała w głębszej części jądra, a krople lżejszej cieszy powoli migrowały do góry napędzając konwekcję, która przyczyniała się z kolei do generowania pola magnetycznego.
Niestety, z czasem dwie ciecze w jądrze Marsa oddzieliły się od siebie całkowicie i zaczęły stanowić dwie wyraźnie odrębne, grawitacyjnie stabilne warstwy. Gdy do tego doszło, konwekcja ustała, a w rezultacie Mars utracił swoje pole magnetyczne. Tymczasem, w jądrze Ziemi wciąż ma istnieć obszar przejściowy między warstwami. Z resztą, wewnątrz Ziemi proces oddzielania się warstw jądra zdaniem badaczy wyglądał inaczej – to krople gęstej cieczy napędzały konwekcję opadając głębiej.
Diagram obrazujący procesy, jakie na przestrzeni lat zachodziły w jądrze Ziemi i w jądrze Marsa. | Źródło: Yokoo et al. 2022
Od dawna wiedziano, kiedy w jądrze Marsa ustała konwekcja, a ten stracił swoje pole magnetyczne. Stało się to jakieś 4 miliardy lat temu. Nowe badanie wyjaśnia jednak, w jaki sposób mogło do tego wszystkiego dojść.
Kto wie, może kiedyś uda się zweryfikować, czy jądro Marsa faktycznie tworzy teraz dwie zupełnie odrębne warstwy, jak naukowcy przewidują. Wiedza na ten temat może wnieść wiele do teorii dotyczących procesów powstawania planet skalistych takich jak Zemia i nie tylko.
Źródło: Universe Today / fot. tyt. mat. NASA/JPL/USGS